ANALISIS HUJAN DENGAN BOUNDARY LAYER RADAR
Findy Renggono1
Intisari
Boundary Layer Radar (BLR) merupakan sebuah L-band Doppler radar. BLR yang terletak di Serpong, merupakan program kerjasama pengamatan antara RASC Kyoto University, Jepang, BPPT dan LAPAN. Pada dasarnya BLR digunakan untuk mengamati dinamika atmosfir pada kondisi udara cerah dari permukaan sampai ketinggian 3 km. Pada tulisan ini akan ditunjukkan bahwa BLR dapat juga digunakan untuk mengamati hujan.
Abstract
Boundary Layer Radar is an L-band Doppler radar. BLR that located at Serpong, Indonesia (6°S, 107°E) is a collaborative program between RASC, Kyoto University, Japan, BPPT and LAPAN. Although this radar is basically designed to measure winds in clear-air. This study, however, shows that BLR can also be used to detect the rain drops.
Kata kunci : hujan, Doppler radar
1. PENDAHULUAN
Untuk mendukung kegiatan operasional hujan buatan, UPT Hujan Buatan (UPTHB) melakukan berbagai kegiatan penelitian, baik penelitian yang berkaitan langsung dengan teknologi modifikasi cuaca, maupun penelitian dasar tentang meteorologi. Berbagai macam kegiatan penelitian atau pengamatan juga telah dilakukan bersama dengan instansi dalam dan luar negeri. Salah satu kerjasama penelitian yang dilakukan adalah pengamatan atmosfir dengan menggunakan radar atmosfir. Kegiatan pengamatan bersama yang sudah dilakukan sejak bulan Nopember 1992, adalah merupakan kerjasama antara UPTHB dengan Radio Atmospheric Science Center (RASC) - Kyoto University, dan LAPAN.
Radar yang digunakan dalam pengamatan ini adalah sebuah Boundary Layer Radar (BLR) yang dipasang di kawasan PUSPIPTEK, Serpong, yang mampu melakukan pengamatan secara terus-menerus, sehingga arah dan kecepatan angin secara 3 dimensi untuk setiap ketinggian dapat diperoleh dalam orde menit. Radar ini didisain khusus agar dapat melihat turbulensi di atmosfir pada kondisi udara cerah. Pada kondisi berawan atau ada hujan, pergerakan atmosfir tidak dapat terukur dengan baik, karena echo dari butir air jauh lebih besar dibandingkan echo dari atmosfir.
1. Staf peneliti UPT Hujan Buatan, BPP Teknologi Email: findy@bppt.go.id
Beberapa penelitian dengan menggunakan BLR ini telah banyak dilakukan sebelumnya. Penelitian
tentang clutter echo di Serpong yang terdeteksi oleh BLR telah dilaporkan oleh Hashiguchi (1995), dan studi tentang echo selain dari echo dari atmosfir juga telah dibahas oleh Tan (1995). Murata et al. (2000) melakukan studi tentang echo dari hujan dengan menggunakan data BLR di Bukittinggi dengan wak tu pengamatan yang pendek. Renggono et al. (2000, 2001) melakukan analisa harian dan tahunan kemunculan jenis awan hujan di Serpong dan Bukittinggi.
Dengan metoda dan teknik analisa data yang berbeda serta penggunaan data yang lebih panjang, dalam tulisan ini akan ditunjukkan bahwa data BLR dapat juga digunakan untuk mengamati jenis awan, dan curah hujan yang berguna bagi UPTHB.
2. PENGAMATAN DAN JENIS DATA
2.1. BLR
BLR merupakan sebuah atmosfir radar yang beroperasi dengan menggunakan frekuensi 1357 Hz (L-band). BLR ini diperlengkapi dengan 3 buah antenna parabola yang diarahkan ke 3 jurusan: tegak lurus, utara dan timur. Sehingga dengan daya sebesar 1 kW radar ini mampu mengamati arah dan kecepatan angin secara 3 dimensi sampai ketinggian 3 km. Spesifikasi lengkap dari radar ini dapat dilihat pada Tabel 1.
Data yang digunakan dalam penelitian ini adalah dari BLR Serpong yang terkumpul sejak bulan Nopember 1992 sampai dengan bulan Desember 1998. Total data yang terkumpul adalah lebih dari 50 bulan. Daftar ketersediaan data dapat dilihat pada Gambar 1.
Jurnal Sains & Teknologi Modifikasi Cuaca, Vol. 3, No. 1, 2002: 23-28 24
Beberapa bagian yang kosong menunjukkan bahwa tidak ada pengamatan pada saat itu, yang disebabkan karena mati listrik atau karena BLR sedang dibawa ke Jepang untuk dikalibrasi ulang (Maret 1997 – Juni 1997)
2.2. Data Permukaan
Sebagai data pembanding dalam penelitian ini digunakan data curah hujan yang diukur dengan sebuah penakar hujan otomatis yang diletakkan di sekitar lokasi BLR. Penakar hujan otomatis yang digunakan adalah jenis tipping-bucket dengan kapasitas bucket -nya 0.5 mm (IKEDA, RT-5). Semua data disimpan dalam sebuah data logger yang dapat merekam tanggal-bulan-jam -menit dari setiap 0.5 mm curah hujan yang terukur. Dengan menggunakan penakar hujan otomatis ini, informasi curah hujan dapat diperoleh secara kontinyu tiap menit.
Pengamatan curah hujan dengan penakar otomatis di Serpong ini telah dilakukan sejak Nopember 1992, bersamaan dengan dimulainya pengamatan dengan BLR, dan masih tetap dilakukan sampai sekarang.
3. METODA ANALISIS
BLR yang terletak di Serpong ini didisain untuk mengamati pergerakan atmosfir bawah. Agar dapat mengukur 3 komponen dari vektor kecepatan angin sampai dengan ketinggian sekitar 2-3 km pada kondisi udara cerah dengan resolusi waktu kurang dari 1 menit, BLR harus beroperasi dengan menggunakan frekuensi yang tinggi. Sebagai konsekuensi penggunaan frekuensi tinggi, radar volume reflectivity dari turbulensi atmosfir akan lebih kecil bila dibandingkan dari butir hujan. Akibatnya, BLR tidak dapat mengukur pergerakan atmosfir secara langsung pada saat ada awan hujan atau mendung (Hashiguchi, 1995).
Pada saat terjadi hujan, data yang terukur oleh BLR lebih didominasi oleh echo dari gerak jatuh butir air/es. Karena kepekaannya sekitar 60 dB lebih peka dari echo turbulensi di atmosfir, maka radar ini mampu mendeteksi butir air/es sampai ketinggian sekitar 6.4 km. Contoh dari pengamatan BLR pada waktu terjadi hujan, dapat dilihat pada Gambar 2. Gambar ini merupakan bidang waktu-ketinggian dari reflektivitas radar dengan menggunakan antenna yang tegak lurus pada tanggal 19 Pebruari 1994. Hasil pengukuran penakar hujan otomatis menunjukkan kejadian hujan pada siang hari yang juga dapat dilihat pada Gambar 2 sebagai echo yang kuat dari permukaan sampai ketinggian lebih dari 6 km (pukul 1145 – 1600 dan 1630 – 2100 WIB).
Serpong BLR Observation
JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 Serpong BLR Observation
JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Gambar 1. Jadwal pengamatan dinamika atmosfir dengan menggunakan boundary layer radar di Serpong Tabel 1. Spesifikasi BLR Serpong
Radar System Operating Frequency Antenna Aperture Beam width Beam Directions Peak Power Average Power Bandwidth Pulse length IPP Range Resolution Time Resolution
Monostatic Pulse Radar 1357.5 MHz Parabolic Antenna 3.1m2 ( φ : 2m) 7.6 (0°,0°),(0°,15°),(90°,15°) 1000 W 20 W 4 MHz 0.67, 1.0, 2.0 µs 50, 100, 200 µs 100 m ∼1 min
BLR Specification
Gambar 3 adalah bidang waktu-ketinggian dari angin zonal-vertikal untuk hari dan tanggal yang sama seperti Gambar 2. Arah panah menunjukkan arah angin, sedangkan panjangnya panah menunjukkan besarnya kecepatan angin. Pada saat udara cerah, gerakan angin ke atas/ke bawah dapat terukur dengan baik, tapi pada saat terjadi hujan, karena yang terukur oleh BLR adalah kecepatan jatuh dari butir hujan, maka arah panah pada saat hujan adalah ke bawah dan mempunyai kecepatan yang cukup besar. Dengan sifat khusus dari echo dan kecepatan vertical tersebut nilai ambang waktu hujan dapat ditentukan. Untuk menentukan nilai ambang echo dan kecepatan vertical, nilai echo dan kecepatan vertical pada ketinggian sekitar 1 km dipilih berdasarkan data hujan yang terpantau oleh penakar hujan otomatis. Jika pada menit tersebut penakar hujan mendeteksi hujan sebanyak 0.5 mm atau lebih, maka nilai echo dan kecepatan vertical diambil sebagai data hujan.
4. ANALISIS KEJADIAN HUJAN
Setelah dilakukan filter untuk menghilangkan data error, data hujan yang terkumpul dari pengamatan sejak bulan Nopember 1992 sampai dengan Desember 1998, adalah sebanyak 5544 menit. Untuk melihat hubungan antara kejadian hujan dengan parameter dari BLR, dapat dilihat pada scatter diagram yang ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar ini adalah distribusi faktor reflektifitas radar dibandingkan dengan kecepatan Doppler vertical. Nilai faktor reflektifitas radar dapat dihitung dari nilai S/N (signal to
noise) yang merupakan perbandingan antara
intensitas echo power dengan system noise power. Warna pada masing-masing titik menunjukkan banyaknya data pada titik tersebut.
Pada gambar ini tampak bahwa data hujan mempunyai kecepatan jatuh antara 3 m/s sampai dengan 12 m/s dan mempunyai reflektivitas antara 1 dBZ sampai dengan 36 dBZ. Gambar ini menunjukkan juga bahwa data lebih banyak berkumpul diantara 10 dBZ sampai dengan 30 dBz (warna arsir gelap). Nilai-nilai yang kurang dari 10 dBz kemungkinan terjadi karena keterbatasan alat penakar hujan, yang kapasitas tipping-bucket-nya hanya 0.5 mm, atau masalah teknis lainnya seperti perbedaan pencatatan waktu antar BLR dengan penakar hujan. Dengan melihat hasil ini, dapat ditentukan suatu nilai ambang untuk mengetahui kejadian hujan dengan menggunakan data BLR. Karena nilai dibawah 10 dBZ dapat diabaikan, maka kejadian hujan dapat ditentukan dengan menggunakan nilai ambang untuk kecepatan Doppler dan reflektifitas, yang masing-masing adalah 1 m/s dan 10 dBZ.
Gambar 5 menunjukkan hasil pengamatan kejadian hujan pada tanggal 7 sampai dengan 14 Januari 1995 dengan menggunakan penakar hujan otomatis (atas) dan BLR (bawah). Garis dibagian atas gambar menunjukkan laju curah hujan (mm/jam) yang terukur oleh penakar hujan, sedangkan arsiran hitam dibawahnya adalah kejadian hujan yang diamati oleh BLR. Pada studi ini, penentuan kejadian hujan dengan BLR menggunakan nilai ambang batas dari kecepatan Doppler dan reflektifitas seperti yang disebutkan di atas. Dalam gambar ini terlihat bahwa, kecuali untuk Gambar 2. Bidang waktu-ketinggian dari reflektivitas radar hasil pengamatan dengan BLR pada tanggal
Jurnal Sains & Teknologi Modifikasi Cuaca, Vol. 3, No. 1, 2002: 23-28 26
hujan tanggal 12 siang, kejadian hujan yang terpantau oleh BLR sama dengan yang terpantau oleh penakar hujan. Beberapa kejadian tampak muncul lebih awal atau lebih lambat, tetapi beda waktunya tidak lebih dari 30 menit.
5. ANALISIS CURAH HUJAN
Walaupun BLR dapat mengamati pola hujan dan struktur awan hujan, tapi BLR tidak dapat mengukur curah hujan secara langsung. Untuk itu, perlu digunakan suatu algoritma yang dikalibrasi dengan pengukuran langsung agar dapat memperkirakan curah hujan di lokasi tersebut. Rumus yang paling umum digunakan dalam mencari hubungan antara pengukuran radar dengan curah hujan adalah hubungan Z-R, yaitu hubungan antara curah hujan dengan echo power dari radar, yang dapat diformulasikan sebagai berikut (Kodaira et al., 1980):
Z =
aR
b(1)
Dimana Z adalah indeks reflektifitas radar, R adalah curah hujan permukaan, sedangkan nilai a dan b
adalah konstanta yang menunjukkan kondisi dari hujan. Konstanta ini memiliki beberapa nilai, tetapi yang paling cocok pada berbagai macam kasus untuk nilai a dan b masing-masing adalah 200 dan 1.6 (Battan, 1973)
Gambar 4. Scatter diagram dari Reflectivity
Factor dari hujan versus kecepatan jatuh dari
butir hujan dari pengamatan BLR Serpong mulai Nopember 1992 s.d. Desember 1998. Warna arsir menunjukkan jumlah data pada titik tersebut.
Gambar 3. Bidang waktu-ketinggian dari angin zonal dan vertikal hasil pengamatan dengan BLR pada tanggal 19 Pebruari 1994.
Analisis Hujan dengan Boundary Layer Radar (Renggono) 27
Biasanya reflektifitas radar diberikan dalam satuan desibel, dengan rumus
dBZ = 10 log10 Z (2)
Maka hubungan antara dBZ dengan curah hujan menjadi:
dBZ = A + B log10 R (3)
dimana,
A = 10 log10a
B = 10 b
Gambar 6 adalah diagram factor reflektifitas radar (dBZ) versus log10 R untuk data BLR Serpong mulai
bulan Nopember 1992 sampai dengan Desember 1998. Warna arsir menunjukkan jumlah presentasi data terhadap curah hujan. Garis lurus yang tampak pada gambar ini menunjukkan nilai yang diberikan oleh rumus (3) dengan menggunakan nilai a = 200 dan b = 1.6, sedangkan garis putus-putus menunjukkan rata-rata reflektifitas BLR. Kedua garis ini tampak
hampir berhimpitan, yang menunjukkan bahwa hubungan reflektifitas BLR dengan curah hujan dapat mengikuti rumus di atas dengan menggunakan nilai a dan b seperti yang digunakan oleh Battan (1973).
6. KESIMPULAN
Dari hasil studi data BLR Serpong yang terkumpul s ejak bulan Nopember 1992 sampai dengan Desember 1998, dapat disimpulkan hal-hal sebagai berikut:
• BLR yang didisain untuk mengamati pergerakan atmosfir pada saat kondisi cerah, dapat dimanfaatkan untuk melakukan pengamatan hujan.
• Kejadian hujan dapat diketahui dengan melakukan analisa parameter BLR. Kejadian hujan di permukaan teramati pada saat nilai kecepatan Doppler vertical lebih dari 3 m/s dan Reflektifitasnya lebih dari 10 dBZ. • Hubungan antara echo BLR dengan curah
hujan mengikuti rumus Z-R yang banyak digunakan sampai saat ini.
Beberapa kelemahan dalam studi ini akan diperbaiki dalam penelitian selanjutnya, seperti misalnya metoda pemilihan data hujan yang kurang akurat karena mengabaikan kesalahan teknis yang terjadi dilapangan selama pengamatan, serta penelitian lebih lanjut mengenai hubungan Z-R juga akan dikerjakan untuk mendapatkan rumusan yang lebih tepat bagi BLR.
Ucapan Terimakasih
Ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya ditujukan pada Prof. S. Fukao dan Prof. H. Hashiguchi yang banyak membantu penulis dalam penelitiannya menggunakan BLR. Juga bagi seluruh staf yang terlibat langsung maupun tidak langsung dalam
-10 -5 0 5 10 15 rainfall rate [mm]
7
8 9 10 11 12 13 14
Gambar 5. Data hujan di Serpong pada tanggal 7 s.d. 14 Januari 1995. Pada bagian atas adalah curah hujan yang diukur oleh penakar hujan otomatis dan bagian bawah adalah durasi hujan yang diukur dengan BLR.
Gambar 6.Diagram faktor reflektifitas radar (dBZ)
Jurnal Sains & Teknologi Modifikasi Cuaca, Vol. 3, No. 1, 2002: 23-28 28
pengoperasian BLR, penulis mengucapkan terimakasih atas kerjasamanya.
Daftar Pustaka
Battan, L.J., 1973: Radar Observations of the Atmosphere, University of Chicago Press, Chicago, 30, 324 pp
Hashiguchi, H., 1995: Development of an L-band clear-air Doppler radar and its application to planetary boundary layer observations over equatorial Indonesia, PhD thesis, Department
of Electronic Engineering, Kyoto University
Kodaira, N., R. Tachihira, D. Shizaki, A. Takeda, Y. Iwasaka, and K. Naito, 1980: Special edition for meteorological radars, study note of the
meteorological society of Japan, 139, 9-10 (in
Japanese)
Murata F., M.D. Yaman aka, M. Fujiwara, S.-Y. Ogino, H. Hashiguchi, S. Fukao, M. Kudsy, T. Sribimawati, S.W.B. Harijono, and Eddy Kelana, Relationship between wind and precipitation observed with a UHF radar, GPS rawinsondes and surface meteorogical instruments at Kototabang, West Sumatera during September-October 1998, J. Meteor.
Soc. Japan, 79, to be accepted.
Renggono, F., H. Hashiguchi, S. Fukao, S. -Y. Ogino, N. Okamoto, F. Murata, B.P. Sitorus, M. Kudsy, M. Kartasasmita, and G. Ibrahim, 2001: Precipitating clouds observed by L-band boundary layer radars in equatorial Indonesia,
Ann. Geophys . , 19, 889-897
Tan, T.K., 1995: A study on the algorithm for distiction of non-atmospheric echoes observed with an L-band clear-air Doppler radar, Bachelor thesis,
Department of Electroni c Engineering, Kyoto University
DATA PENULIS
FINDY RENGGONO Lahir di Tasikmalaya, tanggal 11 Maret 1968. Memperoleh gelar S1 dari fakultas teknik jurusan elektronika, Kyoto University tahun 1993. Pada tahun 1998 melanjutkan S2 di fakultas sains jurusan geophysics, Kyoto university, lulus tahun 2000. Mulai tahun 2001 mengikuti program JSPS - Dissertation Doctor (Ronpaku) di Radio Science Center for Space and Atmosphere, Kyoto University. Sejak tahun 1993 sampai sekarang, bekerja di UPT Hujan Buatan, BPPT.
